一种100 W LED路灯驱动电源设计

摘要：设计了一种恒流型100 W LED路灯驱动电源。该电源采用反激拓扑，输入220V／50 Hz的交流电，能够实现稳定的恒流输出，开路状态下具有限压保护功能。与传统的LED驱动电源相比，该电源兼顾了高效率和功率因数，同时简化了电路结构，降低了成本。在此对该驱动电源的电路进行简要介绍，分析了恒流原理，同时阐述了变压器的设计方法，最后搭建的样机满载效率达到87．5％，功率因数达到0．9以上，带灯后恒流输出在3 A，电流纹波小于50 mA。
关键词：电源；反激变换器；恒流

1 引言
LED路灯是半导体照明最终进入千家万户的功能性照明的第一步，其优点是省电、安全、环保、方向性强、长寿命、易维护、易控制等。用LED路灯代替传统路灯，1盏每年可节电1 000 kW·h。近来，我国在硅基LED材料生长与芯片制造技术上取得了重大突破，从源头上避开了目前国际主流的LED照明技术(蓝宝石衬底LED照明技术和碳化硅衬底LED照明技术)的专利制约，开辟出一条硅基氮化镓LED照明新技术路线，这必将大幅降低LED的成本，进一步推动大功率LED路灯的推广。
目前的LED驱动电路主要有线性稳压源、开关稳压源、开关恒流源。线性稳压源的优点是电路简单，成本很低，缺点是效率低、温升高、体积大；开关稳压源优点是体积小、效率高、稳压范围宽，缺点是亮度不稳定，对元器件要求高；开关恒流源的优点是效率高、体积小、LED亮度稳定，缺点是对元器件要求高，LED大规模并联亮度不一致。开关恒流源又主要分为反激电源和谐振电源，谐振电源效率相对较高，但成本也较大。作为路灯照明．要求驱动适应恶劣环境，稳定性高，电路简单，同时灯应无闪烁。因为路灯功率一般较大，整体亮度很高，对LED并联串的亮度一致性要求不高。同时路灯照明对效率和成本要求较高，鉴于谐振电源相对反激电源效率提升有限，采用反激结构的开关恒流源不失为100 W功率级LED路灯驱动的最佳选择。
在此设计了一款结构简单，性能优良的100WLED路灯驱动电源，采用反激拓扑，实现了稳定的恒流输出，具有良好的过流、欠压及过温保护功能，同时兼顾了高效率和较高功率因数校正值。

2 系统结构
为了减少电网谐波，传统大功率LED驱动电源一般由APFC+DC／DC变换器构成，通常这样的两级结构效率不超过85％，同时成本也会增加。文中LED驱动采用无源PFC反激变换拓扑，系统结构如图1所示。

EMI滤波采用标准的电感电容连接方式，抑制交流电网的高频干扰和电源对交流电网的干扰。PFC部分采用填谷式无源PFC电路，这种电路结构简单，能够实现较高的功率因数，缺点是输出电压波动较大，但由于后面接DC／DC电路，所以该缺点对此驱动电源无影响。PFC电路输出的能量经高频变压器传递给次级电路，高频变压器是驱动电源设计的关键，其设计将在后面详细讲解。功率MOSFET的选取是另一个关键，需考虑功率管的耐压及变压器初级电流，一般功率管的额定电流选为初级电流有效值的十倍，以保证足够的余量。同时导通电阻要低，防止导通损耗过大。
该LED驱动采用通用的电流模式PWM控制器UC3843A作为主控芯片，该集成电路具有可微调的振荡器、高增益误差放大器，能进行精确的占空比控制，同时具有多重保护功能，采用大电流图腾柱输出，是驱动功率MOSFET的理想器件。主拓扑采用反激变换拓扑，通过控制开关管的开断，将变压器储存的能量传送到负载和输出滤波电容。次级采用集成电路TSM101将电压和电流采样信号与内部的基准进行比较，比较后的信号通过光耦反馈给初级的PWM控制器进行脉宽调节以保证该LED驱动电源恒流输出。当恒流输出失效时，能够实现恒压输出，保护负载。

3 设计原理
3．1 反激变换原理
该设计采用图2所示的反激变换拓扑，其工作原理是：开关管导通时，变压器储存能量，负载电流由输出滤波电容提供；开关管关断时，变压器将储存的能量传送到负载和输出滤波电容，以补偿电容提供负载电流时消耗的能量。令Lp为变压器初级励磁电感，Ton为开关管导通时间，Udc为整流后的直流电压，开关管开通结束时，初级电流ip=UdcTon／Lp，此时变压器储存的能量E=Lpip2／2。当开关管关断时，如果变压器次级电流能够降为零，则为不连续导通模式(DCM)，变压器储存的能量全部传递到次级：如果变压器次级电流不能降为零，则为连续导通模式(CCM)，该设计满载下采用CCM。